ВАСИНА ЯНИНА АЛЕКСАНДРОВНА ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ И МЕХАНИЗМА ТВЁРДОФАЗНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ L-

На правах рукописи
ВАСИНА ЯНИНА АЛЕКСАНДРОВНА
ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ И МЕХАНИЗМА ТВЁРДОФАЗНОГО
ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ L--АМИНОКИСЛОТ
C КАРБОКСИЛЬНЫМИ, СЕРУ- И АЗОТСОДЕРЖАЩИМИ
ЗАМЕСТИТЕЛЯМИ
02.00.04  физическая химия
химические науки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискании учѐной степени
кандидата химических наук
Нижний Новгород
2013
Работа выполнена на кафедре химии общетехнического факультета
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования «Нижегородский государственный
архитектурно-строительный университет»
Научный руководитель:
Яблоков Вениамин Александрович
доктор химических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ
Официальные оппоненты:
Фомин Владимир Михайлович
доктор химических наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Нижегородский
государственный университет
им. Н. И. Лобачевского»
Кетков Сергей Юльевич
доктор химических наук, профессор,
ведущий научный сотрудник
ФГБУН «Институт металлоорганической
химии им. Г. А. Разуваева» РАН,
Нижний Новгород
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
учреждение науки «Институт химии высокочистых веществ им. Г. Г.
Девятых» РАН, Нижний Новгород
Защита диссертации состоится «_____» ______________2013 г. в___часов
на заседании диссертационного совета Д 212.166.08 по химическим наукам
при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им Н. И.
Лобачевского» по адресу 603950, г. Н. Новгород, пр. Гагарина, 23, кор.2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского
государственного университета им. Н. И. Лобачевского
Автореферат разослан «_____» ________________2013 г.
Учѐный секретарь диссертационного совета
доктор химических наук, профессор
2
Сулейманов Е. В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Работа посвящена изучению кинетики
твердофазного термического превращения аминокислот NH2CH(R)COOH с
радикалом R, в состав которого входят карбоксильные, серу- и
азотсодержащие группы.
Аминокислоты участвуют в метаболических процессах животных и
растительных организмов, являются строительным материалом в синтезе
полипептидных цепей белков. Общее число синтетических или включенных
в природные соединения аминокислот исчисляется несколькими сотнями, и
их число всѐ время растѐт. Одним из направлений исследования аминокислот
является синтез биосовместимых и биодеградируемых олигомеров и
полимеров на основе аминокислот.
Известно, что стабильность и высокие потребительские качества
широко используемых полимеров в быту и в промышленном производстве
изделий из высокомолекулярных соединений имеют свою оборотную
сторону. Они экологически опасны, не поддаются быстрому разрушению,
оказавшись выброшенными в окружающую среду. В указанных
обстоятельствах предпочтительными являются биополимеры, способные
подвергаться эффективной биодеградации на безвредные для живой природы
компоненты. Не меньшую ценность представляют биосовместимые
сополимеры, полученные на основе аминокислот. Такие олигомеры и
сополимеры могут использоваться в качестве средств доставки генных
конструкций в клетки живого организма, изготовления биосовместимой
керамики и во многих других областях практического применения.
Для осуществления синтеза олигомеров и сополимеров актуальным
является
исследование
кинетических
характеристик
превращения
аминокислот, сведения о которых практически отсутствуют, особенно в тех
случаях, когда осуществляется твѐрдофазное превращение аминокислот при
высокой температуре. Указанное обстоятельство позволило нам
сосредоточить внимание на исследовании кинетики твѐрдофазного
превращения L-α-аминокислот, изучить методами масс-спектрометрии и ИКспектроскопии состав продуктов реакции с целью выяснения вероятного
механизма процесса.
Цель работы состояла в исследовании кинетики твердофазного
термического превращения двенадцати L-α-аминокислот, а также в изучении
возможности протекания в исследованных температурных областях
поликонденсации L-α-аминокислот с образованием полимерных продуктов.
Для реализации указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

исследовать
скорость
термического
превращения
моноаминдикарбоновых кислот и их амидов, серусодержащих и
гетероциклических аминокислот, диаминокарбоновых кислот;

качественно оценить влияние радикалов R, входящих в состав
NH2CH(R)COOH на реакционную способность аминокислот;
3

масс-спектрометрическим, ИК-спектроскопическим и времяпролетной
МАLDI-TOF MS методами определить состав продуктов реакции;

на основании кинетических параметров и анализа продуктов реакции
обосновать вероятный механизм твердофазного термического
превращения аминокислот.
Объекты исследования В качестве объектов исследования выбраны
L-α-аминокислоты NH2CH(R)COOH, содержащие в составе R радикала
СООН – группу [аспарагиновая (Asp), глутаминовая кислота (Glu)], NH2CO –
группу [аспарагин (Asn), глутамин(Gln)], аминогруппу [лизин (Lys), аргинин
(Arg)], серу [метионин (Met), цистеин (Cys), цистин (Cys2)] и азотсодержащие
гетероциклы [пролин (Pro), гистидин (His), триптофан (Trp)].
Методы исследования Кинетические измерения проводились
компенсационным методом в вакуумированной системе в статических
условиях.
ИК-спектроскопические,
хромато-масс-спектрометрические
измерения и времяпролетную МАLDI-TOF MS применяли для определения
состава продуктов термораспада.
Научная новизна и практическая ценность работы Впервые
определены константы скорости и активационные параметры твердофазного
термического
превращения
L-α-аминокислот
NH2CH(R)COOH
с
карбоксильными, серу- и азотсодержащими радикалами R. Доказано, что по
своей реакционной способности аминокислоты располагаются в ряд:
Trp  His  Met  Asn  Cys2  Asp  Lys  Arg  Pro  Cys  Gln  Glu.
Получены прямые доказательства твердофазных превращений
аминокислот до низкомолекулярных олигомеров с помощью методов: ИКспектроскопии, хромато-масс-спектрометрии и метода МАLDI МS.
Предложен вероятный механизм твердофазной термической
поликонденсации аспарагиновой кислоты. Установлено два температурных
интервала превращения аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе
постоянного объѐма. При 190 – 207 0С реакция завершается образованием
низкомолекулярной полиаспарагиновой кислоты и воды. В зоне температур
210 – 240 0С лимитирующим является процесс образования
полисукцинимида в последовательном превращении аспарагиновая кислота –
полиаспарагиновая кислота – полисукцинимид с выделением 2 моль воды на
моль исходной аминокислоты.
Впервые
предложен
механизм
твердофазной
термической
поликонденсации глутаминовой в полиглутаминовую кислоту в
вакуумированной системе постоянного объема, непосредственно связанный
со стадией образования лактама глутаминовой кислоты – 2-пирролидон-5карбоновой кислоты.
Положения, выносимые на защиту
1. Доказано, что твердофазное термическое превращение исследованных
аминокислот до низкомолекулярных олигомеров подчиняется уравнению
реакции первого порядка. Определены активационные параметры. Наличие
4
компенсационного эффекта указывает на однотипный механизм
(гетеролитическая поликонденсация) в лимитирующей стадии.
2. Доказано, что полиаспарагиновая кислота может быть синтезирована из
аспарагиновой кислоты, минуя стадию получения полисукцинимида.
Установлен механизм твѐрдофазной поликонденсации аспарагиновой и
глутаминовой кислот.
3. Обоснован вероятный механизм превращения L-α-аминокислот
NH2CH(R)COOH с серу- и азотсодержащими радикалами на основании
кинетических параметров и состава продуктов реакции.
Область применения результатов Результаты диссертационной
работы могут быть использованы в областях науки и практики, связанных с
разработкой методов синтеза полиаминокислот, используемых для
получения биодеградируемых и биосовместимых сополимеров. Кроме того,
они могут быть полезными при оценке вероятности появления токсичных
продуктов при термической переработке пищевых продуктов для
специалистов, занимающихся проблемами экологии, а также в учебном
процессе для студентов, специализирующихся в области «Техносферной
безопасности», «Экологии и природопользования».
Степень достоверности полученных результатов Достоверность
полученных результатов исследований подтверждена апробацией работы, а
также использованием современных физико-химических методов
исследования.
Апробация работы Результаты работы представлены на: заочной
научнопрактической конференции «Естественные науки: актуальные
вопросы и тенденции развития» (30 ноября 2011. Новосибирск. Россия); IX
Международной
дистационной
научнопрактической
конференции
«Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (30 декабря
2011. Москва. Россия); V Международной научно-практической
конференции «Современное состояние естественных и технических наук»
(20.01.2012. Москва. Россия); II Конференции с международным участием
«Успехи синтеза и комплексообразования» (2327 апреля 2012. Москва.
Россия); Международной заочной научнопрактической конференции по
биологии, химии, физике (8.06. 2012. Новосибирск. Россия); XIII
Международной научно-практической конференции «Инновации в науке».
(17.10.2012. Новосибирск. Россия); XI Международной
конференции
«Физикохимия олигомеров» (09-14.09.2013. Ярославль, Россия). Названия и
фамилии авторов докладов приведены в списке публикаций.
Публикации
По
результатам
проведѐнных
исследований
опубликованы 2 статьи в рецензируемых журналах и 6 тезисов докладов.
Соответствие диссертации паспорту специальности Диссертация по
своим целям, задачам, содержанию, научной новизне и методам
исследования соответствует п. 7 «Макрокинетика, механизмы сложных
химических процессов» и п. 10 «Связь реакционной способности реагентов с
5
их строением и условиями осуществления химической реакции» паспорта
специальности 02.00.04 – физическая химия.
Личный вклад автора Кинетические исследования выполнены
автором диссертационной работы самостоятельно. Постановка задач,
интерпретация полученных результатов, формулировка основных выводов
осуществлялась совместно с научным руководителем и другими соавторами
публикаций.
Структура диссертации Диссертационная работа изложена на 129
страницах, состоит из введения, 3 глав и выводов. Диссертация
иллюстрирована 79 рисунками и 11 таблицами. Списки цитируемой
литературы включает 134 наименований.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность
темы, выбор объектов, цели и задачи исследования. В литературном обзоре
(глава 1) анализируются литературные данные и обсуждаются свойства
аминокислот, их структурные и термодинамические характеристики,
некоторые особенности твердофазных процессов, а также процессы
поликонденсации
аминокислот,
приводящие
к
образованию
биодеградируемых полимеров. Вторая глава посвящена объектам и методам
исследования. В третьей главе приводятся экспериментальные данные и
обсуждаются результаты исследования.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ И МЕХАНИЗМА ТВЕРДОФАЗНОГО
ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ
Плавление кристаллических аминокислот сопровождается их
разложением. Мы обратили внимание, что температура газовыделения
летучих продуктов (Тгаз.) при нагревании аминокислот существенно ниже
температуры, которая фиксируется как температура плавления (Тпл.)
вещества. Для количественного измерения скорости реакции фиксировали
изменение давления (р) летучих компонентов от времени реакции (t) при
температуре опыта в вакуумированной системе постоянного объѐма.
1. ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ И МЕХАНИЗМА ТВЕРДОФАЗНОГО
ТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ МОНОАМИНОДИКАРБОНОВЫХ
КИСЛОТ
1.1. Аспарагиновая кислота
Исследованы скорость и механизм твердофазной термической
поликонденсации L-Asp в вакуумированной системе. Специфика проведения
поликонденсации отличалась от техники эксперимента, использовавшейся в
предыдущих работах Y. Wang at al. (2003 г.), С.Д. Вaрфоломеева с
сотрудниками (2008 г.), тем, что выделяющиеся летучие вещества оставались
в зоне реакции и их можно было проанализировать.
6
Удобным для количественного измерения скорости разложения Asp по
изменению давления летучих компонентов от времени t реакции оказался
интервал температур 190 – 230 0С.
На рис. 1 представлены кривые зависимости давления летучих
продуктов термического превращения Asp от времени реакции в интервале
температур 190 – 207 0С.
Р, кПа
25
5
20
4
3
15
1
Рис.1. Зависимость давления
газообразных продуктов термического
превращения Asp от времени при
температурах:1 – 190,
2 – 195, 3 – 200, 4 – 205, 5 – 207 0С
2
10
5
0
0
200
400
t, мин
Анализ газообразных продуктов реакции показал, что в указанном
интервале температур поликонденсация Asp сопровождается выделением
паров воды и следов углекислого газа. Количество выделяющейся воды
составляет 0.7 моль, а углекислого газа 0.03 моль на моль Asp. В ИК-спектре
твердого продукта поликонденсации присутствуют полосы поглощения,
относящиеся к валентным колебаниям групп: (С=О) 1608 см-1, 1710 см-1,
(NH) 1530 см-1, характерные для полиаспарагиновой кислоты (PАsp) и
отсутствуют
полосы
валентных
колебаний
имидной
группы
полисукцинимида PSI.
Такой же ИК-спектр наблюдается для олигопептида, полученного при
непрерывном удалении паров воды и углекислого газа из зоны реакции.
При более высоких температурах 210 – 230 0С на кривых зависимости
давления летучих продуктов от времени реакции появляется излом,
выделяющий на кривой два участка (рис. 2).
Р, кПа
4
80
3
60
2
1
40
Рис. 2. Зависимость давления газообразных
продуктов термического превращения Asp
от времени при температурах:
1 – 210, 2 – 215, 3 – 220, 4 – 230 0С
20
0
0
100
200
300
400
500
t, мин
7
В этих условиях количество выделяющейся воды возрастает до 1.95
моль, углекислого газа до 0.13 моль на моль Asp. В ИК-спектре конечного
продукта поликонденсации присутствуют характеристические полосы
поглощения PSI, относящиеся к валентным колебаниям имидного кольца:
(С=О) 1672 см-1, 1700 см-1, 1705 см-1, (СN) 1270 см-1, 1393 см-1, 1727 см-1.
Количество выделяющейся воды в составе газообразных продуктов и
данные ИК-спектроскопии указывают на образование PAsp в результате
реакции поликонденсации Аsp в интервале температур 190 – 207 0C.
Образование небольшого количества углекислого газа происходит в
результате декарбоксилирования некоторых звеньев полимерной цепи PAsp.
Начальный участок кривых термического превращения Asp при
температурах 210–230 0С (рис. 2) соответствует поликонденсации,
сопровождающейся образованием PAsp.
По кинетическим данным, снятым при температурах 190 – 207 0С
(рис. 1) и по значениям р – t, относящимся к начальному участку кривых,
снятых при 210 – 230 0С (рис. 2), были вычислены константы скорости k1
реакции первого порядка поликонденсации Asp в PAsp (табл. 1).
Лишь на глубокой стадии поликонденсации при 210 – 230 0С
происходит образование PSI. Этому процессу соответствуют участки кривых
в координатах р – t (рис. 2) после излома. По предельному давлению
газообразных продуктов р∞ после завершения реакции при 210 – 230 0С
рассчитаны эффективные константы скорости (k2) и активационные
параметры стадии превращения PAsp в PSI (табл. 1).
Таблица 1
Реакция
поликонденсации
Asp
↓k1
PAsp
Е = 187 ± 12
кДж/моль
lnkо = 44± 3
Кинетические параметры термического превращения Asp
T, оC
k1 103, мин-1
190
195
200
205
207
210
215
222
230
7
20
35
42
54
90
121
267
349
Реакция
превращения
PAsp
↓k2
PSI
Е = 191 ± 33
кДж/моль
T, оC
k2 103, мин-1
lnkо = 43 ± 8
210
215
222
230
9
10
20
55
Аррениусовская зависимость констант скорости реакции образования
PAsp (k1) от температуры в координатах lnk1 – 1/T выполняется во всем
диапазоне температур 190 – 230 0С.
8
Полученные нами кинетические параметры и ИК-спектроскопические
измерения позволяют высказать предположение о вероятном механизме
термического превращения Asp в интервале температур 190 – 230 0С:
На первой стадии происходит поликонденсация Asp в PAsp. Скорость
превращения PAsp в PSI на порядок ниже скорости образования PAsp из Asp
(табл. 1), поэтому мы смогли раздельно определить эффективные константы
скорости термического превращения двух последовательных стадий
поликонденсации.
Реакция декарбоксилирования концевых групп PAsp вносит вклад в
увеличение суммарного давления летучих веществ, поэтому константы
скорости являются удельными скоростями двух параллельно протекающих
процессов – реакции поликонденсации и декарбоксилирования на стадии
образования как PAsp, так и PSI.
Результаты масс-спектрометрического анализа конечного продукта
реакции методом времяпролетной МАLDI МS свидетельствуют об
образовании PSI при 210-230 0С. На полученном масс-спектре образца
наблюдается несколько серий сигналов, отстоящих друг от друга на
величину 97Да, соответствующих массе звена PSI, что позволяет
предположить возможную природу концевых групп образовавшихся
полимерных молекул. Из представленного в диссертации спектра сделан
вывод, что значение молекулярной массы олигомера не превышает 4000 Да.
Таким образом, поликонденсация Аsp не всегда завершается
образованием PSI. Характер продукта поликонденсации зависит от
температуры реакции. Можно подобрать такой температурный режим
(например, ниже 200 0С), когда процесс поликонденсации завершится только
образованием PAsp, причем в составе полимерной цепи будут содержаться
пептидные звенья, образовавшиеся в результате декарбоксилирования.
1.2. Глутаминовая кислота
В отличие от аспарагиновой в глутаминовой кислоте (L-Glu) вторая
карбоксильная группа отделена от α-углеродного атома не одной, а двумя
метиленовыми группами. Такая структурная особенность приводит к
существенному изменению химических свойств аминокислот. Первичным
актом термического превращения кристаллической Glu является равновесная
реакция образования 2-пирролидон-5-карбоновой или пироглутаминовой
кислоты (pyroGlu):
Glu
pyroGlu + H2O
9
Сравнительное
изменение
давления
летучих
компонентов,
образующихся при нагревании Glu и pyroGlu при повышении температуры,
представлено на рис. 3.
Р, кПа
100
1
80
2
60
Рис.3.
Зависимость
давления
газообразных
продуктов превращения
Glu(1) и pyroGlu (2) от
температуры
40
20
0
100
200
300
400
Т, 0С
Циклическая pyroGlu проявляет большую термическую стабильность
по сравнению с Glu. Понизив температуру твердофазного термического
превращения Glu до 170-210 0С, можно полностью исключить
терморазложение pyroGlu. Количественное превращение Glu в pyroGlu
происходит при 175 0С, если непрерывно удалять образующуюся при
циклизации воду при пониженном давлении.
На рис. 4 приведены кинетические кривые термического превращения
Glu в вакуумированной системе в интервале температур 170–210 0С.
Р, кПа
30
4
2
3
20
1
Рис. 4. Зависимость давления
летучих продуктов термического
превращения Glu от времени при
следующих температурах:
1 – 170, 2 – 175, 3 – 180, 4 – 210 0С
10
0
0
50
100
t, мин
ИК- спектр твердого продукта термического превращения Glu,
образующегося через 7 часов после начала реакции при 175 0С,
свидетельствует об исчезновении полос поглощения исходной Glu и
появлении полос поглощения, относящихся к валентным колебаниям
амидной группы (3303, 1720, 1384, 1209, 1116, 1058 и 707 см -1), которые
характерны для полиглутаминовой кислоты (РGlu).
Для количественной оценки твердофазного термического превращения
Glu из кривых рис. 4 были рассчитаны эффективные константы скорости
реакции первого порядка (k). По значениям констант скорости превращения
10
Glu были вычислены энергетические параметры процесса термической
поликонденсации Glu в РGlu (табл. 2).
Таблица 2 Кинетические параметры термического превращения Glu
Т, 0С
k103, мин-1
170
175
180
185
190
210
220
41
87
128
233
315
866
1150
k230 103, мин-1
Е, кДж/моль
lnk0
6109
148±7
37.2±6
Энергия активации процесса оказалась равной 148 кДж/моль. Эта
величина ниже энергии активации поликонденсации Asp в PAsр. Поэтому
Glu демонстрирует более высокую реакционную способность по сравнению с
Asp в поликонденсации.
На основании анализа продуктов реакции и кинетических измерений
предложен механизм термического превращения Glu при 170-210 0С:
Общее количество воды (х), выделившейся в газовую фазу,
соответствует глубине превращения исходной Glu. Квазиравновесное
состояние, определяемое константами скорости k2 и k3, по мере развития
процесса сдвигается в сторону Glu в результате необратимой реакции
поликонденсации (k1). Выделившаяся при поликонденсации вода в свою
очередь способствует смещению равновесия: Glu
pyroGlu + Н2О влево до
тех пор, пока последнее количество pyroGlu не превратится в Glu.
Количественное превращение Glu в РGlu означает, что в соответствии с
приведенным выше механизмом смесь pyroGlu и Н2О должна при нагревании
в закрытой вакуумированной системе привести к количественному
превращению pyroGlu в РGlu. Действительно, расплав pyroGlu в контакте с
парами воды при 175 0С реагирует с образованием кристаллического РGlu.
11
ИК-спектр полученных кристаллов соответствует характеристическим
частотам валентных колебаний РGlu. Температура плавления олигомера
204 0С (литер. данные Тпл= 206 0С). Разложение его начинается при 209 0С
(литер. данные Тразл.= 209,8 0С). Показано, что масс-спектр РGlu существенно
отличается от масс-спектров Glu и pyroGlu. Отсутствие в спектрах масс,
соответствующих осколкам pyroGlu, и присутствие в масс-спектрах ионов,
относящихся к олигомерным фрагментам, образовавшимся при
поликонденсации Glu, свидетельствует в пользу представленной выше схемы
термического превращения Glu.
2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИОННОЙ
МОНОАМИНДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
СПОСОБНОСТИ
АМИДОВ
Аспарагин (L-Аsn) и глутамин (L-Gln) относятся к амидам
аспарагиновой (Аsp) и глутаминовой (Glu) аминокислот. Изучение их
термического превращения преследовало цель сравнения их реакционной
способности с реакционной способностью Аsp и Glu, а также определения
возможности получения полимеров, схожих по составу с полимерами Аsp и
Glu.
Изучена скорость термического превращения Asn при 195-230 0С и Gln
при 160-220 0С. На рис. 5 и 6 приведены соответствующие кинетические
кривые.
Р, кПа
60
4
3
40
2
20
1
0
0
50
Р, кПа
100
4
30
150
t, мин
3
2
20
Рис. 6. Зависимость давления
газообразных продуктов
превращения Gln от времени в
интервале температур:
0
1 – 170, 2 – 179, 3 – 190, 4 – 220 С
1
10
0
0
12
20
40
Рис. 5. Зависимость давления
газообразных
продуктов
превращения Asn от времени в
интервале температур:
0
1 – 205, 2 – 213, 3 – 220, 4 – 230 С
60
80
100
t, мин
Масс-спектрометрический
анализ
продуктов
термического
превращения Аsn показал, что в газовой фазе образуются вода, аммиак и
углекислый газ. Выделение воды свидетельствует в пользу поликонденсации
Asn в полиаспарагин (PAsn).
Количество выделившейся воды зависит от длины цепи (n) олигомера
PAsn. Биуретовая реакция дает положительный результат, подтверждающий
образование олигопептида. Присутствие в газовой фазе СО2, вероятно,
связано с реакцией декарбоксилирования исходной Asn. Гидролиз PАsn
приводит к образованию
PАsр. Твѐрдый продукт, полученный при
термическом превращении Asn при 230 0С, не дает биуретовой реакции.
Предположительно, что это PSI, который получается дегидратацией PАsp,
промежуточно образованной согласно схеме.
Для Gln при 170 0С после окончания реакции газовая фаза содержала
воду, углекислый газ и аммиак. Масс-спектрометрический анализ твердого
продукта термического превращения Gln подтвердил образование
олигомерных продуктов низкомолекулярного состава.
В табл. 3 приведены кинетические и активационные параметры
термического превращения Asn и Gln. Сравнивая величины k для Asn и Gln,
можно констатировать, что также как и в случае Asр и Glu наличие
дополнительной метиленовой группы у Gln приводит к ускорению процесса
термического превращения аминокислоты примерно в 15 раз (сравните
величины k при 230 0С) за счет понижения энергии активации со 124 до 104
кДж/моль при переходе от Asn к Gln.
13
Таблица 3 Кинетические и активационные параметры термического превращения
Asn и Gln
Asn
Т0С
3
k10
-1
мин
k230 10
3
,
-1
мин
,
E,
кДж/
моль
lnk0
Т0С
k103,
-1
мин
195
12
161
32
205
19
170
69
213
23
179
79
220
33
190
347
230
135
220
866
135
124±6
27,3±9
Gln
k230 103, E,
1
кДж/
мин
моль
1880
104±7
lnk0
25,5±8
Таким образом, при температурах 160 – 220 0С, основным процессом
термического превращения Asn и Gln является гетеролитическая
поликонденсация с выделением воды и аммиака, что показано в
вышеприведенных
схемах
реакции.
Параллельно
идет
процесс
декарбоксилирования, доля которого увеличивается с повышением
температуры опыта.
3.
ИССЛЕДОВАНИЕ
РЕАКЦИОННОЙ
СЕРУСОДУРЖАЩИХ АМИНОКИСЛОТ
СПОСОБНОСТИ
Кристаллы изучаемых аминокислот плавятся с разложением: D,Lметионин (D,L-Met) при 2810С, L-цистеин (L-Cys) при 240 0С, L-цистин (LCys2) при 260 0С. Если проводить нагревание образцов в замкнутом
вакуумированном объеме со скоростью 3 0С/мин, то газовыделение,
указывающее на термическое превращение аминокислот, начинается уже при
температурах 190 – 230 0С, то есть существенно ниже их температур
плавления. На рис. 7 приведены кинетические кривые превращения D,L-Met,
L-Cys и L-Cys2 в координатах р – t, снятые при близких температурах.
2
3
1
Рис. 7. Зависимость давления
газообразных продуктов превращения:
1 – Met (226 0С), 2 – Cys (225 0С),
3 – Cys2 (224 0С) от времени
Термическое превращение серусодержащих аминокислот подчиняется
уравнению реакции первого порядка до глубины превращения 30–50%.
14
Температурная зависимость констант скорости реакции подчиняется
уравнению Аррениуса k = k0eE/R. Кинетические и активационные параметры
разложения серусодержащих аминокислот приведены в табл. 4
Таблица 4
Аминокислота
D,L-Met
L-Cys
Cys2
Кинетические и активационные параметры превращения
серусодержащих аминокислот
Т, 0С
216
221
226
231
238
194
198
201
206
225
199
204
210
218
224
k103, мин1
4
6
7
16
22
25
53
85
190
728
13
17
27
75
117
k230 103,мин-1
Е, кДж/моль
lnk0
15,1
19510
42,78
1567
19315
46,65
223
1847
42,56
Константы скорости превращения серусодержащих аминокислот
растут в ряду Met < Cys2 < Cys, (табл. 4) и отличаются в указанной
последовательности на порядок. Кажущиеся энергии активации (Е) лежат в
пределах 184 – 195 кДж/моль, lgk0 в интервале 42 – 47.
При термическом превращении Met образуется полимерная масса
вещества, дающая положительную биуретовую реакцию на амидную группу
в олигопептиде. В газовой фазе масс-спектрометрическим методом найдены
СО2, метилтиол СН3SH, а также следы H2S и (СН3)2S2; по остаточному
давлению при комнатной температуре определено, что 50% газовой фазы
составляет
вода
–
продукт
поликонденсации.
Хромато-массспектрометрическим методом в конденсированной фазе обнаружены: 3метилтио-1-пропиламин, метилтиол и 1-аминопропен-2. Вероятная схема
термического превращения Met может быть представлена следующими
параллельно и последовательно протекающими реакциями.
15
Вода, метилтиол и СО2 переходят из кристалла в газовую фазу и
определяют в ней состав продуктов разложения Met. В отличие от
гетеролитической поликонденсации 1 появление СО2 и метилтиола является
следствием гомолитического расщепления связей С–S и С–O в кристалле
(реакции 2 и 3).
Термическое превращение Cys и Cys2, также как и Met, сопровождается
образованием олигомеров (положительная биуретовая реакция). Газовая фаза
состоит наполовину из воды, а также H2S и СО2 как для Cys, так и для Cys2.
Рассчеты показали, что на моль Cys образуется примерно 2 моль летучих
веществ (Н2О и H2S). Количества СО2 в газовой фазе незначительны. В
кристаллической структуре Cys происходит гетеролитический процесс
поликонденсации и последуюший гомолитический разрыв связи С–S в
образующемся олигомере, приводящий к образованию H2S.
Механизм подтверждается образованием значительного количества
H2S в газовой фазе. Связь С–N в процессе термораспада этих аминокислот не
подвергается разрыву. Об этом свидетельствует отсутствие в продуктах NH3.
Из
литературных
источников
известна
окислительновосстановительная реакция взаимопревращения L-Cys ⇄ L-Cys2. Мы
находим для этих аминокислот практически одинаковые продукты
термопревращения, что свидетельствует о возможности протекания этой
равновесной реакции в условиях нашего эксперимента.
Таким образом, формально скорость брутто-процесса превращения
Met, Cys и Cys2 при небольших глубинах разложения исходных соединений
(30-50%) можно рассматривать как «кооперативную» химическую реакцию
поликонденсации первого порядка, протекающую в твердой фазе. Несмотря
на близкие значения кажущихся энергий активации термопревращения Met,
Cys и Cys2, соответственно равных 195, 193 и 184 кДж/моль, эффективные
константы реакции при одной и той же температуре отличаются одна от
другой примерно на порядок в ряду Met < Cys2< Cys. При температурах выше
200 0С их превращение сопровождается образованием серусодержащих
газообразных продуктов.
16
4.
ИССЛЕДОВАНИЕ
ТВЕРДОФАЗНОГО
ТЕРМИЧЕСКОГО
ПРЕВРАЩЕНИЯ
АМИНОКИСЛОТ
С
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИМ
РАДИКАЛОМ
Исследование
термической
стабильности
аминокислот
с
гетероциклическим заместителем [триптофан (Trp), гистидин (His) и пролин
(Pro)], их возможное участие в процессах образования полимеров явилось
причиной изучения нами их термического превращения.
Характер изменения давления (р) летучих продуктов разложения от
температуры (Т) позволил определить интервал температур, удобный для
количественного измерения скорости превращения этих аминокислот. Он
составил 230 – 280 0С для L-Trp и L-His и 200 – 230 0С для L-Pro.
На рис. 8 и 9 приведены кинетические кривые разложения
гетероциклических аминокислот Trp и His, снятые в координатах давление
(р) газообразных продуктов – время реакции (t).
,
,
,
,
Р, кПа
3
4
2
30
20
1
10
0
0
50
100
Рис. 8. Зависимость давления газообразных
продуктов превращения Trp от времени
реакции в интервале температур:
1 – 240, 2 – 251, 3 – 255, 4 – 270 0С
150 t, мин
Р, кПа
60
4
40
3
2
Рис. 9. Зависимость давления
газообразных продуктов
превращения His от времени реакции
в интервале температур:
1 – 240, 2 – 251, 3 – 260, 4 – 270 0С
1
20
0
0
100
200
300
t, мин
Р, кПа
3
2
1
60
Рис. 10. Зависимость давления
газообразных продуктов
превращения Pro от времени
реакции в интервале температур:
1 – 210, 2 – 220, 3 – 230 0С
40
20
0
50
100
150
t, мин
17
Кривые превращения Pro носят иной характер (рис. 10). Эта
аминокислота начинает превращаться при более низких температурах по
сравнению с Trp и His. Процесс сопровождается образованием циклического
димера и воды. Количество выделившейся воды соответствует стехиометрии
превращения Pro в димер. Скорость образования циклического димерного
продукта настолько высока, что сразу же в газовую фазу выделяется
стехиометрическое количество воды.
Параметры
термического
превращения
аминокислот
с
гетероциклическим заместителем приведены в табл. 5. Как следует из этой
таблицы, энергия активации термического превращения растет при переходе
от Trp к Pro, но скорость процесса при этом увеличивается. Скорость
превращения Pro выше этого параметра для His почти на два порядка,
скорости превращения His и Trp различаются в 1,5 – 2 раза.
Гетероциклический фрагмент Pro тесно соприкасается со своей
кислотной группой, и в результате возникают возможности реализации
процессов циклизации и расщепления близко расположенных активных
групп. В случае Pro проявляет себя энтропийный фактор, и это обеспечивает
Pro более высокие скорости термического превращения в ряду изученных
аминокислот.
Таблица 5 Параметры термического превращения аминокислот
с гетероциклическим заместителем
Аминокислота
Т, 0С
k230 103,
lnk0
мин
Е а,
кДж/моль
13
20
29
47
124
4,2
17910
37,37
9
17
44
107
23
8,7
1906
40,78
28
110
126
204
770
770
21211
50,310
k103,
-1
мин
Триптофан
Гистидин
Пролин
240
251
255
260
270
230
240
250
260
280
205
207
210
220
230
-1
Масс-спектр жидких продуктов термического превращения Pro,
полученных в течение 4 часов при 207 0С, подтвердил это. Масса 194
отвечает циклическому димеру, образованному путем отщепления двух
молекул воды от двух определенным образом ориентированных молекул Pro.
Присутствуют также продукты расщепления образующегося димера, такие
18
как пирролидин и СО, которые наблюдаются в масс-спектре исходного Pro.
Ниже приведен вероятный механизм твердофазного термического
превращения Pro.
По структуре Trp близок His, только его гетероциклический фрагмент
более объемен, чем у His. В His и Trp гетероциклическая группа отделена от
основных участников процесса поликонденсации СН2 группой. Это нашло
свое отражение в продуктах реакции. Масс-спектр исходного Trp и
соответствующие спектры продуктов термического превращения Trp,
полученных при 240 0С в течение 5 часов, показали, что в продуктах
присутствуют
осколки
более
высокомолекуляных
продуктов
поликонденсации Trp, а также индол (молекулярная масса 117) и 2метилиндол (молекулярная масса 131). Последние являются продуктами
расщепления связей С – С в заместителях R образующихся олигомеров.
Индол
2-метилиндол
Процесс термического превращения His аналогичен превращению Trp,
так как строение His повторяет структуру Trp, но вместо индольного
гетероцикла в His присутствует имидазольный.
В заключение этого раздела следует расположить исследованные
аминокислоты с гетероциклическим заместителем в порядке увеличения их
способности к термопревращению: Trp< His<Pro.
5.
ТВЕРДОФАЗНОЕ
ТЕРМИЧЕСКОЕ
ДИАМИНОКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
ПРЕВРАЩЕНИЕ
В качестве объектов исследования выбраны аргинин (L-Arg) и лизин
(L-Lys). Определенный нами температурный интервал превращения этих
19
аминокислот 190 – 240 0С. На рис. 11, 12 приведены кинетические кривые
твердофазного термического превращения Arg и Lys, снятые в координатах
давление (р) – время реакции (t).
,
,
,
,
Р, кПа
60
5
4
40
1
3
Рис. 11. Зависимость давления
газообразных продуктов превращения
Arg от времени реакции в интервале
температур:
1 – 202, 2 – 206, 3 – 210, 4 – 225, 5 – 242 0С
2
20
0
0
50
100
150
200 t, мин
Р, кПa
60
4
2
40
3
1
20
0
0
200
400
600
t, мин
Рис. 12. Зависимость давления газообразных
продуктов превращения Lys от времени
реакции в интервале температур:
1– 190, 2 – 195, 3 – 200, 4 – 210 0С
В табл. 6 приведены кинетические и активационные параметры
превращения обеих аминокислот.
Таблица 6 Кинетические и активационные параметры термического
превращения Arg и Lys
k103, мин-1
k230103, мин-1
Еа ,
кДж/моль
202
206
210
225
242
19,5
52
96
165
610
458
11210
2612
190
195
200
210
242
3
9
11
55
920
376
20916
498
Аминокислота Т, 0С
Аргинин
Лизин
lnk0
Хромато-масс-спектрометрический анализ продуктов термического
превращения Arg, полученных при Т = 210 – 250 0С, показал присутствие
20
воды, углекислого газа
и аммиака. Вода образуется в результате
поликонденсации, которая реализуется при взаимодействии СОО- и NH3+ –
соседних цвиттер – ионов Arg. В масс-спектрах наблюдаются сигналы пиков,
относящихся к полиаргинину низкомолекулярного состава.
Хромато-масс-спектрометрический анализ продуктов термического
превращения Lys, полученных при Т = 210 0С, показал присутствие воды и
аммиака в газовой фазе. Для твердых продуктов превращения Lys наличие
низкомолекулярных олигомеров подтверждается ИК-спектроскопическими и
масс-спектрометрическими измерениями. Рассчитанные для данных частиц
абсолютные молекулярные массы хорошо соотносятся с наблюдаемой серией
сигналов в полученном масс-спектре образца методом времяпролетной
МАLDI МS: 242, 385, 513, 641 ДА. Результаты масс-спектрометрического
анализа конечного продукта реакции свидетельствуют об образовании
низкомолекулярного полизина при 210 – 230 0С.
Сравнение реакционной способности аминокислот H2NCH(R)COOH
показывает, что объемные гетероциклы создают, вероятно, значительные
стерические препятствия взаимодействию цвиттер-ионов, расположенных в
узлах кристаллической решетки. В силу этого обстоятельства триптофан и
гистидин проявляют высокую термическую стабильность по сравнению с
другими аминокислотами изученного ряда:
Trp  His  Met  Asn  Cys2  Asp  Lys  Arg  Pro  Cys  Gln  Glu
Наименьшую термическую стабильность (высокую скорость реакции) в
приведенном ряду проявляет глутаминовая кислота. Амиды Asn и Gln
проявляют более высокую термическую стабильность по сравнению с
соответствующими аспарагиновой (Asp) и глутаминовой (Glu) кислотами,
что свидетельствует о высоком электронодонорном эффекте H2NC(O)CH2- и
H2NC(O)CH2CH2- групп по сравнению с электроноакцепторными свойствами
HOOC(O)CH2- и HOOC(O)CH2CH2- групп.
Для всех аминокислот характерны реакции поликонденсации. В
лимитирующей стадии процесса идѐт образование олигомеров с выделением
воды, по росту давления которой мы определяли константы скорости
реакции. На основании наблюдаемого кинетического компенсационного
эффекта можно утверждать, что в лимитирующей стадии процесса
термического превращения аминокислот реализуются коллективные
взаимодействия цвиттер-ионов в узлах кристаллической решетки
аминокислоты.
Коллективными
являются
элементарные
акты
взаимодействия положительно и отрицательно заряженных концов диполей
цвиттер-ионов, сопровождающиеся формированием звеньев олигомерной
цепи и выделением воды. Вклад в брутто-процесс вносят гомолитические
радикальные реакции декарбоксилирования и дезаминирования, которые
протекают с более высокой скоростью. Поэтому мы определяли
эффективные константы скорости твѐрдофазного термического превращения
аминокислот.
21
Обнаружение компенсационного эффекта в случае исследованных
нами аминокислот, различающихся лишь структурой заместителя R в
составе цвиттер-иона +H3NCH(R)COO−, указывает на однотипный механизм
процесса, лимитирующей стадией которого является гетеролитическая
поликонденсация.
ВЫВОДЫ
1.
Впервые определены константы скорости и активационные
параметры твердофазного термического превращения L-α-аминокислот
NH2CH(R)COOH с карбоксильными, серу- и азотсодержащими радикалами
R в интервале температур 160 – 280 0С. Методами ИК-спектроскопии и массспектрометрии
доказана
поликонденсация
аминокислот
до
низкомолекулярных олигомеров.
2.
Установлено
два
температурных
интервала
превращения
аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе постоянного объема.
При 190 – 207 0С реакция завершается образованием полиаспарагиновой
кислоты и воды. При 210 − 250 0С лимитирующим является процесс
образования полисукцинимида. Полиаспарагиновая кислота может быть
синтезирована из аспарагиновой кислоты в одностадийном процессе, минуя
стадию получения полисукцинимида.
3.
Доказан
полиглутаминовую
механизм превращения
при
участии
глутаминовой
равновесной
стадии
кислоты
в
образования
пироглутаминовой кислоты.
4.
Наличие
компенсационного
эффекта
в
твердофазном
термическом превращении исследованных аминокислот, различающихся
структурой заместителя R в составе цвиттер-иона
H3NCH(R)COO−,
+
указывает на однотипный механизм (гетеролитическая поликонденсация) в
лимитирующей стадии процесса.
22
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ
ДИССЕРТАЦИИ
1. Яблоков В.А., Васина Я.А., Зеляев И.А., Митрофанова С.В. Кинетика
термического разложения серусодержащих аминокислот // Журнал общей
химии, – 2009 – Т. 79 – №.6. – С. 969 – 973.
2. Яблоков В.А., Васина Я.А., Гришин И.Д. Кинетика твердофазной
термической поликонденсации аспарагиновой кислоты в вакуумированной
системе // Журнал общей химии, – 2013 – Т. 83 – №11. – С. 1850 – 1854.
3.
Яблоков В.А., Васина Я.А., Зеляев И.А., Митрофанова С.В.
Исследование реакционной способности метионина и его комплекса с
хлоридом ртути // Приволжский науч. жур. Изд. Н. Новгород: ННГАСУ, –
2008 – №1 – С.110 – 114.
4. Яблоков В.А., Васина Я.А. Сравнительная кинетика термического
разложения глутатиона, цистеина и глицина // Приволжский науч. жур. Изд.
Н. Новгород: ННГАСУ, –2012 – №4 – С.169 – 171.
5. Васина Я.А. Исследование реакционной способности метионина и его
комплекса с хлоридом ртути. Труды заочной научно-практич. конф.
«Естественные науки: актуальные вопросы и тенденции развития».
Новосибирск. 30 ноября 2011г. С.107.
6. Васина Я.А. Кинетика термораспада аминокислот. Труды IX Междунар.
дистанционной
научно-практич.
конф.
«Современные
проблемы
гуманитарных и естественных наук», Москва, 30 декабря 2011г. С.33.
7. Васина Я.А. Кинетика термораспада аминокислот. Труды V Междунар.
дистанционной
научно-практич.
конф.
«Современное
состояние
естественных и технических наук», Москва, 20 января 2012 г. С.34.
8. Васина Я.А., Яблоков В. А. Сравнительная кинетика термического
разложения глутатиона, цистеина и глицина. Материалы XIII
Международной научно-практической конференции «Инновации в науке».
17.10.2012. Новосибирск. Россия. Часть 1. С. 34.
9. Васина Я.А. Кинетика термораспада некоторых природных соединений.
Труды II Всероссийск. (с междун. участием) научн. конф. «Успехи синтеза и
комплексообразования», Москва, 23-27 апреля 2012 г. С. 126.
10. Яблоков В. А., Васина Я.А., Кинетика твердофазной термической
поликонденсации аспарагиновой кислоты в вакуумированной системе.
Материалы XI Международной конференции «Физикохимия олигомеров».
09-14.09.2013. Ярославль. Россия. Часть 2. С. 108.
23
Подписано в печати _______Формат 60х901/16 Бумага газетная. Печать трафаретная.
Объѐм 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №
__________________________________________________________________
Отпечатано в полиграфическом центре ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный
архитектурно-строительный университет», 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65.
24